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Massgeschneiderte Glasfasern für vielfältige Anwendungen

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Die Berner Fachhochschule hat zusammen mit der Universität Bern ein innovatives Verfahren zur Herstellung von Glasfasern entwickelt. Es eröffnet neue Möglichkeiten für den Einsatz der Lasertechnologie.

Glasfasern sind die Lebensader der Wirtschaft. Millionen Kilometer Glasfaserkabel sind verlegt und verbinden Kontinente, Länder und Städte. Als reine Lichtwellenleiter übertragen diese passiven Glasfasern grosse Datenmengen in Form von Lichtpaketen schnell und zuverlässig, etwa im Telekombereich. Mit dem «Modified Chemical Vapor Deposition»-Verfahren (MCVD) lässt sich Glas von extremer Reinheit erzeugen. Daraus hergestellte optische Glasfasern weisen sehr geringe Lichtleitverluste auf, wobei man das theoretisch mögliche Verlustminimum fast erreicht hat.

Dr. Sönke Pilz, Physiker, wissenschaftlicher Mitarbeiter, im Ziehturm bei der Glasfaserherstellung.

Aber Glasfasern können mehr. Als aktive Glasfasern können sie nicht nur Licht leiten, sondern es auch erzeugen. Aus dem zwei Hundertstel Millimeter dicken Kern einer Glasfaser gewinnt man mehrere Kilowatt kontinuierlichen Laserlichts mit bester Strahlqualität, ohne Nachjustieren komplexer Laseraufbauten, ohne Unterbrüche – ideal für industrielle Anwendungen wie das Schneiden von Stahlblechen oder für den 3-D-Druck von Metallteilen aus Pulver.

Der Laserstrahl, der früher über umständliche Spiegelkonstruktionen zur Bearbeitungszone gelangte, kann heute auch über Glasfasern im gleichen Kabelschacht wie die elektrischen Leitungen zum Werkstück geführt werden – ein grosser Fortschritt für den Maschinenbau. Und die gleiche Glasfaser kann Informationen von der Oberfläche des Werkstückes zurücktragen. Dadurch sind grosse Verbesserungen der Prozesssicherheit und der Sicherheit der Benutzer in der Produktionshalle oder im Operationssaal möglich.

Herausforderung Laserdotierung

Eine aktive Glasfaser zur Erzeugung und Übertragung von Laserstrahlung muss besondere Voraussetzungen erfüllen. Ihr wesentliches Merkmal ist ein Kern aus Glas, dem laseraktives Material – in der Regel seltene Erden – beigefügt wurde. Dieser Vorgang der gezielten Einbindung von Fremdstoffen ins hochreine Quarzglas des Faserkerns wird Dotierung genannt.

Eine Herausforderung bei der Herstellung von aktiven Glasfasern besteht darin, das laseraktive Material dem Glas so beizumischen, dass ein Faserkern mit einer homogenen und präzisen Dotierung entsteht. Zudem sollte die Herstellung einfach und verlässlich sein, damit sich Glasfasern mit spezifischen Eigenschaften rasch und mit vertretbarem Aufwand fertigen lassen. Genau daran arbeitet das Kompetenzzentrum Fasern und Faserlaser, zu dem sich die Forschungsgruppe Angewandte Fasertechnologie (AFT) der Berner Fachhochschule und das Institut für angewandte Physik (IAP) der Universität Bern zusammengeschlossen haben. Das IAP arbeitet schwergewichtig an den Grundlagen, während sich die Gruppe AFT auf die Material- und Faserherstellungsprozesse sowie die Umsetzungen in industrielle Anwendungen konzentriert. Die Partner können ihre Entwicklungen jederzeit in der Praxis überprüfen und im Faserziehturm der Universität Bern Glasfasern herstellen.

Inspiration aus Venedig

Martin Hochstrasser, Chemiker, wissenschaftlicher Mitarbeiter, bei der Gelherstellung.

Erfolg kann alternative Ideen blockieren. Das galt in den 1980er- und 1990er-Jahren auch für die Entwicklung neuer Glasfaser-Herstellungsverfahren. Kaum jemand produzierte optische Glasfasern anders als mit MCVD. Aber das für die Herstellung passiver Telekom- Fasern perfekte Verfahren war nicht das beste für die Herstellung spezieller aktiver Glasfasern. So mussten die damit erzeugten Glasfaserkerne rund und symmetrisch sein, was für den Bau moderner Faserlaser nicht immer optimal ist. Vor allem aber konnten die Dotierungsstoffe dem Glas nur in kleinen Mengen beigefügt werden, und ihre Verteilung war nicht homogen.

Die Rückbesinnung auf die venezianische Glasbläserkunst führte zur Lösung des Problems. Für die Fertigung ihrer reinen und farbigen Gläser zerstiessen die Venezianer die Ausgangsmaterialien zusammen mit Quarzkristallsteinen zu feinen, homogenen Pulvern. Die Innovation der Berner Forschenden liegt vor allem darin, dass sie Glas aus Pulver herstellen, bei dem die laseraktiven Materialien bereits in jedem Pulverkorn enthalten sind. In einem speziellen Verfahren entsteht ein Glas der erforderlichen Reinheits, und beliebige Dotierungen lassen sich wie gewünscht einbinden. Bei diesem Sol-Gel-Prozess werden die Dotierungsmaterialien zuerst in einem chemischen Prozess in «flüssigem Glas» (Tetraethoxysilan bei Raumtemperatur) aufgelöst. Durch Wasserzugabe wird aus der Lösung zuerst ein Gel und durch Austrocknung später festes Pulver. Dieses wird in ein Glasrohr – die sogenannte Preform – gefüllt und verwandelt sich während des Schmelzprozesses im Faserziehturm zum laseraktiven Faserkern.

Die Forschungsgruppe AFT arbeitet bei der Entwicklung dieses Verfahrens interdisziplinär. Den Forschenden steht ein gut ausgerüstetes Labor zur Verfügung, und im gleichen Gebäude befindet sich mit dem BFHSpin- off ReseaChem der Spezialist und Partner für die Herstellung von Sol-Gels. 

Internationaler Technologietransfer

Das Kompetenzzentrum Fasern und Faserlaser ist heute führend in der Herstellung von Laserfasern mit dem Sol-Gel-/Pulververfahren. Langfristig möchten die Forschenden eine «Bibliothek» von Laserfasern bzw. von dotierten Pulvern mit spezifischen Eigenschaften aufbauen. Je nach Wellenlänge, die ein industrieller Anwender für seinen Laser benötigt, liessen sich entsprechende Glasfasern rasch herstellen. Übergeordnetes Ziel der Forschungsgruppe AFT ist die Integration moderner Lasersysteme in Bearbeitungsmaschinen. Dabei arbeitet sie im Rahmen der vom Bund mitfinanzierten Innosuisse-Projekte auch mit industriellen Partnern zusammen – aktuell etwa mit südkoreanischen Firmen. Die bisherigen Resultate dieses Technologietransfers lassen hoffen, dass sich in absehbarer Zeit insbesondere innovative Anwendungen mit neuartigen Wellenlängen realisieren lassen, die mit den Standardmethoden der Glasfaserherstellung bisher nicht möglich waren.